黄土高原刺槐林恢复后土壤微生物养分利用策略的季节动态

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人工林恢复是黄土高原生态系统修复重建的主要措施之一,而土壤中最活跃的微生物不可避免的受到该过程影响。除此之外,微生物养分利用策略(元素利用效率和胞外酶)作为土壤碳循环中最关键的环节,还受到气温、降水、日照等诸多影响,而这些气候因子都包括在季节动态之上。自1999年退耕还林至今,黄土高原生态环境质量得到明显改善,植被覆盖度由31.6%提升到62.8%,是中国脆弱生态系统通过植被恢复的典型代表,为开展人工林恢复地土壤微生物养分利用策略研究提供了天然的实验平台。然而,目前对微生物养分利用策略在季节动态上的响应研究仍较为缺乏,且已有季节动态试验研究中由于植被种类、恢复年限差异,导致结论并不统一。基于此,本研究选择延安市安塞区4个不同恢复年限(46年、30年、20年、16年)刺槐林土壤为研究对象,阐明季节动态上(春季、夏季、秋季)土壤养分含量、胞外酶活性及元素利用效率的变化特征,揭示了季节动态对土壤理化性质及微生物养分利用策略的影响机制,并为“双碳”背景下进一步理解碳循环过程提供参考依据。研究得出主要结论如下:(1)不同年限人工林恢复后,土壤养分含量及组成在季节动态上存在显著差异,且较农田土明显增加。土壤有机碳(SOC)、可溶性有机磷(DOP)、C:N、C:P在夏季显著高于春秋季节。其中,SOC在夏季较春季的增幅区间为133%—392%,在16年增幅最大;较秋季的增幅区间为352%—616%,在30年增幅最大。DOP在夏季较春季的增幅区间为483%—658%,在16年增幅最大;较秋季的增幅区间为15%—731%,在46年增幅最大。土壤可溶性有机氮(DON)、DON:DOP在夏季显著低于春秋季节,其中DON在夏季较春季、秋季的降幅区间分别为17%—65%、22%—70%,均在46年降幅最大。各恢复年限SOC含量较农田土平均增加309%。(2)各恢复年限土壤水解酶活性及其矢量角度在季节动态上存在显著差异,而氧化酶活性在不同季节上无显著差异。土壤C获取酶活性(BG、BX、CBH)、N获取酶活性(LAP、NAG)的季节动态均为夏季显著大于春季、秋季。其中,C获取酶活性在夏季较春季的增幅区间为19%—97%,在16年增幅最大;秋季的增幅区间为71%—271%,在30年增幅最大。N获取酶活性在夏季较春季增幅区间为31%—96%,在30年增幅最大;较秋季的增幅区间为22%—129%,在16年增幅最大。而P获取酶活性(AKP)的季节动态表现为夏季显著小于春季、秋季,降幅区间分别为65%—82%、30%—81%,均在20年降幅最大。各恢复年限胞外酶矢量角度(VA)的季节动态表现为夏季低于45°,而春季、秋季均高于45°,这表明土壤在夏季处于较强的N限制,在春秋季节处于相对较强的P限制。(3)各恢复年限元素利用效率在季节动态上存在显著差异,但C利用效率(CUE)、N利用效率(NUE)、P利用效率(PUE)对季节的变化表现出不同的响应。CUE的季节动态表现为夏季显著低于春秋季节,夏季CUE平均为0.09,春季、秋季CUE分别为0.31、0.53;而NUE、PUE的季节动态表现为夏季显著高于春秋季节,夏季NUE、PUE平均为0.94、0.96,春季NUE、PUE分别为0.76、0.77,秋季NUE、PUE分别为0.40、0.25。这说明微生物在春秋季节有更多的C固持以及N、P矿化,在夏季有更多的CO2排放及N、P固持。(4)季节动态、恢复年限可通过改变土壤养分情况进而调控微生物养分利用策略。季节动态可以通过气候因子改变土壤养分组成,作用于C、N获取酶活性和元素利用效率。而恢复年限仅可通过改变土壤有机碳组分间接影响N获取酶活性。CUE、NUE、PUE主要受C:N不平衡的影响,C获取酶、N获取酶主要受SOC、DOC的影响,P获取酶主要受TN、DON、TP、DOP的影响。
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